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Zweipoliger Umschalter und seine Verwendung als
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Sicherheitsschalter bei elektrischen Maschinen Stand der Technik Die
Erfindung geht aus von einem zweipoligen Umschalter oder Ausschalter nach der Gattung
des Eiauptanspruchs. Ein solcher Schalter ist bekannt (DE-OS 32 20 189), allerdings
in Form einer Potentiometer-Schalterkombination, wobei bei einem unmittelbar auf
einer Trägerplatte angeordneten linearen Potentiometer beidseitig zu dessen Abgriffsbahnen
Schnappschalter mit ihren jeweiligen Schalthebeln so angeordnet sind, daß bei Verschieben
eines den Schleifer des Potentionleters lagernden Schiebers von diesem spiegelsymme
-trisch Rückflächen der Schalthebel dann betätigbar sind, wenn der Schieber eine
vorgegebene Umschaltposition erreicht hat, wodurch doppelpolig elektrische Kontaktgaben
erfolgen. Die gleichzeitige Umschaltung der beiden Schnappschalter erfordert in
diesem Fall das Vorhandensein eines gemeinsamen Schiebeglieds, welches für das
Potentiometer
gleitverschieblich auf der Trägerplatte angeordnet ist; dabei sind bestimmte Vorzugs-Umschaltvorgänge
der beiden gemeinsam doppelpolig schaltenden Schnappschalter nicht in dieser Veröffentlichung
erwähnt.
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Bekannt ist ferner bei einem Schnappschalter (DE-PS 28 02 133), die
Kontaktstücke lagernden Träger sowie einen Schaltarm träger unmittelbar auf eine
erste Fläche einer Leiterplatte oder r'rintplatte aufzusetzen und dadurch zu befestigen,
daß diesen Träger- oder llalteteilen einstückig ausgehende, sich bis zur gegenüberliegenden
Seite der Leiterplatte erstreckende und dort verlötete Verlängerungen vorgesehen
sind, wobei eines der lialteteile gleichzeitig auch das Lager für den Schaltarm
und sein Betätigungselement bildet. Dieser Schnappschalter ist nur zu einer einpoligen
Ein- oder Umschaltung g-eeigrllet .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zweipoligen Um-oder
Ausscllalter zu schaffen, bei dem gleichermaßen dib wesentlochen Schaltungskonponenten,
-lialteteile und Träger unmittelbar auf eine Leiterplatte aufgesetzt und mit dieser
vorzugsweise auf der anderen Seite durch Tauchlötung verbunden sind, der jedoch
andererseits besonders einfach betätigt werden kann, wobei diese Betätigung auch
die gewollte, zeitlich aufeinander abgestimmte und zeitlich zueinander versetzte
Umschaltung der beiden Einzelumschalter umfaßt.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße zweipolige Um- oder Ausschalter
löst diese
Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
und hat den Vorteil, daß bei einfachem Aufbau und beliebiger Betätigungseinwirkung
auf den Schalthebel (in vertikaler oder horizontaler Richtung zur Leiterplatte,
auf der er befestigt ist) eine sichere zweipolige Umschaltung möglich ist, mit dem
besonderen Vorteil, daß durch die spezielle Art des Aufbaus des erfindungsgemäßen
Umschalters auch bewußt zeitliche Vorgaben für die jeweilige Umschaltung getroffen
werden können, so daß sich der erfindungsgemäße Schalter niit Vorzug als Sicherheitsschalter
bei elektrischen Maschinen u. dgl.
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einsetzen läßt, bei denen eine Sicherheitseinrichtung berücksichtigt
werden muß, um das Gerät dann mit einem separaten Hauptschalter einschalten zu können.
In diesem Zusammenhang ist es eine bevorzugte Einsatzrnöglichkeit des erfindungsgemäßen
zweipoligen Umschaltiers, bei elektrischen Geräten, insbesondere auch Küchengeräten
u. dgl.
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nach Entfernen der Sicherheitseinrichtung unmittelbar den Stillstand
des antreibenden Elektromotors herbeizuführen, wobei eine vereinfachte elektrische
Umschaltung in Motorbereich eine schnelle Bremsung mit sehr geringen Bremsströnlen
sicherstellt, jedoch die zeitlich vorgegebene und aufeinander ab gestimmte Umschaltbewegung
des einen Pols-, dem anderen zeitlich vorlaufend,. zur Bedingung hat.
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-I)a die beiden Übertotpunktfedern für jeden Schaltarm des zweipoligen
Umsclaalters an einem gemeinsaIr«en Schalthebel angelenkt sind, ist sichergestellt,
daß die Ychaltbewegungen aufeinander abgestimmt erfolgen können, wobei die Art der
jeweiligen Anlenkung (Anlenkpunkte gegeneinander versetzt) und/oder die Wege, die
jeder Anlenkpunkt der jeweiligen Vorspannungs- oder Übertotpunktfeder bei Betätigung
des Sclialthencls zurück legt, ausschlaggebend für die zeitliche Schaltabfolge sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist die durch die Erfindung ermöglichte Bremsung
von Elektromotoren durch lediglich einen zweipolig wirkenden Umschalter mit definiertem
zeitlichen Schaltungsablauf, wodurch sich die grundsätzlich für sich gesehen bekannte
Bremsung von Universalmotoren, nämlich im wesentlichen Bremsung durch Umpolung des
Motorankers mit Kurzschluß über die Feldwicklungen, in entscheidendem Maße vereinfacht
und vor allen Dingen auch zu einer entscheidend geringeren Belastung der Kontakte
des Umschalters, der Kohlen sowie der Lamellen des Motorankers führt.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen zweipoligen Um- oder Ausschalters und Fig. 2 eine Seitenansicht
des Umschalters, wobei die Fig. 2a als Kurzdiagramm die zueinander zeitlich versetzten
Ein-und Ausschaltzeiten bei (notwendigerweise) gleichzeitiger Betätigung des nur
einen Schalthebels angibt; Fig. 3a, 3b, 3c zeigen in Form von elektrischen Schaltbildern
bekannte Möglichkeiten zur Bremsung von Elektromotoren, zum Teil mit zugeordneten
Bremsstromverläufen über der Zeit in Form von Diagrammen, während die
Fig.
4 und 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung in Anwendung des erfindungsgemäßen doppelpoligen
Um schalters zur Elektromotor-Bremsung mit speziellem Schaltungsaufbau und ebenfalls
zugeordneten Bremsstromverlauf-Diagrammen über der Zeit angeben.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Entsprechend Fig. 1 ist das
Träger- und Lagermaterial für den dargestellten doppelpoligen Umschalter , also
mit anderen Worten sein Gehäuse, eine Trägerplatte 20, die eine Printplatte, Leiterplatte
o. dgl.
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ist und üblicherweise eine Bauelementenseite 20a und die Leiterbahnenseite
20b umfaßt (vergl. Fig. 2). Auf der Bestückungs- oder Bauelementenseite sind die
Schaltungselemente und Baukomponenten des doppelpoligen Um schalters oder Ein/Ausschalters
dargestellt; dieser besteht aus einem ersten Umschalter S1 und einem zweiten Umschalter
S2, die einander gegenüberliegend so angeordnet sind, daß die beiden Vorspannungs-
und gleichzeitig libertotpunktfedern 15, 16 zur beidseitigen Schaltarmbetätigung
am gleichen, gemeinsamen, einer äußeren Schaltbewegung zugänglichen Betätigungselement
oder, wie dieses im -folgenden lediglich noch bezeichnet wird, Schalthebel 9 angeordnet
sind. Der Aufbau der einzelnen Schalter in seiner grundsätzlichen Art ist für sich
gesehen bekannt; so sind, aus einem geeigneten Material vorzugsweise metallische,
jeweils abgewinkelte Träger-oder Hafteteile 1, 2, -3, 4 für die Kontaktstücke la>
2a> 3a und 4a vorgesehen, an welche sich die Gegenkontaktstücke 19 am jeweiligen
zwischen den beiden Kontaktstücken la, 2a, 3a, 4a bzw. Halteteilen 1, 2, 3, 4 beweglichen
Schaltarm 17, 18 zur durch eine
Übe rtotpunktposition gesicherten
Anlage anlegen.
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Der jeweilige Schaltarm 17, 18 sitzt, mit seinem unteren Ende gegabelt,
weil zwischen den beiden Gabelzinken die jeweilige Übertotpunktfeder 15, 16 durchläuft,
an einem eigenen, kontaktgebenden Halteteil 5, 6 in einer Art Schneidenposition,
ist daher leicht und frei beweglich und kippt daher, wenn sich der Schalthebel im
wesentlichen längs der Richtung des Doppelpfeils A bewegt, jeweils von der zugeordneten
Vorspannungsfeder 15, 16 gezogen, in die entsprechenden Schaltpositionen um.
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Die beiden Vorspannungsfedern 15, 16 sind dabei jeweils zum Schwenkpunkt
der Schaltarme 17, 18 entfernt an diesen eingehängt und mit ihren anderen Enden
in beidseitige Aufnahmeöffnungen 21a, 21b am Schalthebel 9, genauer an einer im
wesentlichen rechtwinklig abzweigenden Fortsetzung 9a desselben eingehängt.
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Der Schalthebel 9 hat bei 22 einen Drehpunkt mit der Leiterplatte
20, und zwar verfügt er über einen Drehzapfen 10 (Fig. 2), der durch eine entsprechende
Schwenköffnung in der Lagerplatte gesteckt ist, so daß sich der Schalthebel 9 um
den Drehpunkt 22 verschwenken kann; er ist selbst vom Drehpunkt 22 ausgehend in
etwa bogenförmig in der Zeichenebene der Fig. 1 nach oben verlaufend ausgebildet
und ragt mit seiner vorzugsweise einstückigen Fortsetzung 9a zwischen die beiden
Umschalter S1, S'2, so daß die Vorspannungsfedern 15, 16, wie erwähnt, an diesem
Vorsprung eingehängt werden können.
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Zur Sicherung der in Fig. 1 dargestellten Schaltposition weist der
Schalthebel 9 selbst eine eigene Vorspannungsfeder 12 auf, die sich bei 13 am IIalteteil
5 des einen Umschalters S2 abstützt, welches
gleichzeitig auch
den Schaltarm 17 lagert,und gegenüberliegend einen Sicherungszapfen 11 am Schalthebel
9 bis zu einer vorgegebenen Höhe umfaßt. Die Schalthebelbewegung kann dann im Grunde
durch beliebige einwirkende Mittel erfolgen, beispielsweise durch eine lineare Druckwirkung
entsprechend dem Pfeil B oder durch die Drehbewegung eines exzentrischen Teils C,
welches auf der Rückfläche des Schalthebels bei 24 angreift und diesen zu einer
SchWenkbewegung in der Zeichenebene nach links veranlaßt.
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Gesichert ist der Schalthebel 9 dadurch, daß an ihm zwei federnde
Rastglieder 13 und 14 mit die Leiterplatte auf der anderen Seite hintergreifenden
Nasen 13a, 14a angeordnet, vorzugsweise mit angespritzt sind; diese Rastglieder
werden mit ihren Rastnasen durch vorgesehene länglich-bogenförmige Durchbrüche 25,
26 in der Leiterplatte hindurchfgedrückt, woraufhin sie sich dann aufgrund ihrer
mindestens teilweise federnden Eigenschaften auf der Leiterseite 20b wieder aufweiten
und durch die Rastnasen 13a, 14a eine Verriegelung und Abstützung des Schalthebels
gegen ein Abheben erfolgt.
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Die beiden Vorspannungs-Zugfedern 15, 16 sind in ihrer Federkraft
dabei so bemessen, daß in den jeweiligen Übertotpunktpositionen des Schaltarm s
die erforderliche Auflagekraft an den Kontaktierungspunkten gewährleistet ist.
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Die Schalterfanktion ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
noch mit einer Besonderheit versehen, die darin besteht, daß der Schalthebel 9,
genauer sein Vorsprung 9a um den Drehpunkt 22 einen Kreisbogen beschreibt, und da
die beiden Einhängpunkte der Federn 15 und 16 vom Drehpunkt 22 unterschiedlich entfernt
sind, legen sie
auch bei gleichem Drehwinkel des Schalthebels unterschiedliche
Wege zurück; diese Bespnderheit nutzt die vorliegende Erfindung zu der vorteilhaften
Ausgestaltung aus, die zeitlichen Ein/Ausschaltpunkte der beiden Umschalter S1,
S2 unterschiedlich zu legen, und zwar vorzugsweise so, wie im Diagramm verlauf der
Fig. 2 sehr schematisiert dargestellt.
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Die Grundfunktion ist daher so, daß aufgrund der unterschiedlichen
Kreisbogenkonfiguration der S chaltbew e gungen für die beiden Vorspan -nungsfedern
bei einer Betätigung des Schalthebels im Gegenuhrzeigersinn (in der Zeichenebene
von rechts nach links) der Schalthebel 17 zeitlich eher in die beispielsweise als
EIN-Position definierte andere Schaltposition umschnappt und dann erst zeitlich
verzögert, wie Fig. 2a zeigt, die Schaltzunge 18 wegen des größeren zurückzulegenden
Kreisbogens die U mschaltbewe gung durchführt.
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Umgekehrt, also in der Rückwärtsrichtung arbeitet der zweipolige Umschalter
S beim Öffnen, also wenn der Schalthebel 9 sich von links nach rechts òewegt. In
diesem Fall geht der Schalthebel 18 als erster in die andere 1'position, "öffnet"
also nach einer vorgegebenen Definition und anschließend öffnet dann der Schaltarm
17 ebenfalls.
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ISin solches Schaltverhalten läßt sich bevorzugt auf eine Einrichtung
zur Bremsung beliebiger elektrischer Universalmotoren anwenden, bei denen aus Gründen
der Handhabungssicherheit für den Benutzer der Wunsch oder die Notwendigkeit besteht,
daß das Gerät nach dem Abschalten nach möglichst kurzer Zeit zum Stillstand kommt.
Das kann der Fall sein bei Elektrowerkzeugen, Elektrohandwerkzeugen,
Küchenmaschinen
u. dgl., Kreissägen, Rasenmäher, Heckenscheren usw. Ein ähnliche Schnellabschaltefunktion
oder Bremsung ist auch bei sehr vielenMaschinen dann vorgesehen, wenn man bestimmte
Teile entfernt, das Gerät öffnet, einen Deckel abhebt o. dgl. auch in diesem Fall
wird sofort Bremsung eingeleitet, wozu man sich bestimmter Schaltungen oder Mittel
zur Motorbremsung bedienen kann, die mechanischer oder auch elektrischer Art sein
können. Elektrische Motorbremsen sind beispielsweise Bremsmotoren, Wirbelstrombremsen,
Gleichstrombremsen, oder auch die Bremsung durch Umpolung des Motorankers mit Kurzschluß
über die Felder u. dgl.
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Betrachtet man in diesem Zusammenhang die Darstellung der Fig. 3a,
3b und 3c, dann erkennt man, daß es bei der Darstellung der Fig. 3a eines Vierfach-Umschalters
bedarf, um den Motor einerseits voll vom Netz zu trennen und andererseits, wie gezeigt,
in der abgeschalteten Stellung uber den Anker des Motors die Wicklungen W1 und W2
kurzzuschließen; um den Motor einseitig vom Netz zu trennen und eine Bremsung mit
beiden Feldern (Wicklungen W1 und W2) durchzuführen, bedarf es bei der bekannten
Darstellung der Fig. 3b eines Dreifach-Tinischaltcrs, während man bei der Darstellung
der Fig. 3c, vollständige Trennung voni Netz vorausgesetzt, immer noch einen Zweifach-Umschalter
oder zweipoligen Umschalter und einen einfachen Ein/Ausschalter benötigt, wobei
jedoch elektrisch die Ankerwicklung nicht zwischen den beiden Feldern liegen darf;
bei Verzicht auf vollständige Netztrennung ermöglicht die Darstellung der Fig. 3c
in dieser elektrischen Schaltung die Verwendung von nur zwei Umschaltern oder eines
doppelpoligen Umschalters.
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Der gemeinsame Nachteil dieser bisher beschriebenen Schaltungen liegt
aber darin, daß, wie der Bremsstromverlauf über der Zeit im Diagramm der gig.3c
zeigt, infolge der dann auftretenden Generatorwirkung des Motors im Moment des Ausschaltens
beim Kurzschließen zur Ei genbrem sung extrem hohe Ströme auftreten, die nicht nur
die Kontakte des benötigten Doppelumschalters, sondern auch die Kohlen und die Lamellen
des Motorankers durch starken Verschleiß schädigen oder sogar verschweißen können.
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Die Erfindung ermöglicht jetzt eine wesentliche Verringerung dieser
Kurzschlußströme mit nur unwesentlicher Verlängerung der Bremszeiten, wie die Diagramme
zeigen; und zwar entsprechend den Schaltungen der Fig. 4 und 5.
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Benötigt wird hierzu lediglich ein zweipoliger Umschalter oder Ausschalter
wie weiter vorn angegeben, wobei bei der Beschaltung der Fig. 4 - Bremsung mit einem
Feld (Wicklung Wl)und lediglich einseitiger Netztrennung - die maximal auftretende
Bremsstromspitze auf etwa die Hälfte reduziert ist, verglichen mit dem Bremsstromverlauf
der Fig. 3c beispielsweise, und, wie Messungen nachgewiesen haben, die Bremszeit
um nur ca. 50 % größer ist, was bei Bremszeiten im Bereich von 0, 2 bis 0> 3
Sekunden im praktischen Fall belanglos ist.
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Man erkennt aber an den in den Diagrammen zu den Fig. 3c und 4 bzw.
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5 gezeigten Bremsstromverläufen, daß die Strom/Zeitfläche in etwa
gleich ist - dabei wurden die Messungen mit den in den Fig. 3a, 3b, 3c sowie 4 und
5 angegebenen Beschaltungen an einem 500 Watt-Motor durchgeführt, mit Stillstand
nach 0, 2 Sekunden beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3c und nach 0, 3 bzw. 0, 4
Sekunden bei den Beschaltungsbeispielen der Fig. 4 und 5.
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Die Schaltung der Fig. 5 unterscheidet sich von der der Fig. 4 lediglich
noch durch die Einfügung eines zusätzlichen Widerstandes R im Kurzschlußkreis? wobei
je nach Größe dieses Widerstandes der Strom nochmals erheblich reduziert werden
kann (in numerischen Werten von 6 A Spitzenstrom bei Fig. 3c auf 3, 6 A bei Fig.
4 und auf 2, 6 A beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5). Dennoch sind auch bei Einfügung
des Widerstandes R, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise R
= 24 Ohm betragen kann, bis zum Stillstand des Motors immer noch Zeiten bis ca.
0, 5 Sekunden erreichbar.
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Eine Voraussetzwig für die sichere Funktion der in den Fig. 3c, 4
und 5 angegebenen Schaltungen ist jedoch, daß beim Einschalten des Motors (sämtliche
Sclialterstellungen der Fig. 3a, 3b, 3c, 4 und 5 sind in der Bremsposition dargestellt)
der Schalter S2 dem Schalter S1 vorauseilend ist, während beim Ausschalten bzw.
beim Umschalten auf Bremsung umgekehrt der Schalter S1 dem Schalter S2 vorauseilt,
und zwar so, wie in Fig. 2a angegeben, da sonst, wie nachprüfbar ist, beide Motorfelder
ohne Anker direkt am Netz liegen könnten, wodurch es wieder zu hohen Stromimpulsen
kommen kann, die sich kontakt- und motorschädigend auswirken können und gegebenenfalls
einen zur Phasenanschnittstxuerunq verwffldeten, mit dem motor in Reihe liegenden
Triac mit Sicherheit zerstören würden.
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Ein bevorzugtes Einsatzgebiet des erfiiidungsgemäßen zweipoligen Umodel
Aus schalters ist daher die Verwendung bei Motorbremsschaltungen bzw. Siehe rhe
its schaltungen allgemein, da der erfindungsgemäße Schalter auf jeden Fall einpolig
vom Netz trennen kann.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung
dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.